本發(fā)明涉及一種insar解纏誤差的探測(cè)方法，具體是基于重訪周期較短的多個(gè)復(fù)數(shù)影像，使用小基線技術(shù)組成的解纏對(duì)，適用于任何波段、平臺(tái)、頻率獲取的大量干涉對(duì)解纏誤差探測(cè)的情況。

背景技術(shù)：

為了更準(zhǔn)確和高效的獲取地球表面的變化信息及地球內(nèi)部的變化規(guī)律，已有一些較為成熟的大地測(cè)量觀測(cè)手段，如：水準(zhǔn)、經(jīng)緯儀、全球觀測(cè)系統(tǒng)等廣泛應(yīng)用于地球環(huán)境監(jiān)測(cè)。然而這些技術(shù)雖靈活便利、具有較高的時(shí)間分辨率，但是對(duì)于大區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間的形變監(jiān)測(cè)仍存在許多不足：1)網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)需要較大的勞動(dòng)強(qiáng)度及昂貴的成本花費(fèi)；2)點(diǎn)狀觀測(cè)特征難以滿足重點(diǎn)區(qū)域高分辨率的需求；3)在危險(xiǎn)性較高、人無(wú)法到的區(qū)域、現(xiàn)代高樓林立的城市特征，這些技術(shù)無(wú)法獲取數(shù)據(jù)或者受誤差影響較大，無(wú)法滿足形變觀測(cè)要求。

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(inasr)自上世紀(jì)九十年代成功應(yīng)用于地震形變監(jiān)測(cè)以來(lái)，因其高分辨率、全天候獲取、無(wú)需地面輔助的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛發(fā)展，而且已經(jīng)成功應(yīng)用在火山噴發(fā)、冰川漂移、滑坡、泥石流、地震、礦山沉陷等地質(zhì)災(zāi)害的地表形變監(jiān)測(cè)^[1-3]。insar采用的主動(dòng)式微波成像，相位值為地表與傳感器之間距離的變化量，強(qiáng)度值反映了地表的散射特征。同時(shí)，微波相位易受時(shí)空失相干和大氣誤差的影響，針對(duì)上述兩項(xiàng)誤差，目前已有永久散射體技術(shù)和小基線集技術(shù)和兩者的結(jié)合來(lái)最大限度的消除上述誤差。然而，除了軌道誤差、大氣效應(yīng)、失相干等誤差影響，一個(gè)周期的解纏誤差對(duì)形變的貢獻(xiàn)量為λ/2，對(duì)c波段而言即是2.8cm，因此，解纏誤差，作為insar技術(shù)中一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，已不容忽略，否則會(huì)造成污染到最終參數(shù)的求解。

如何正確探測(cè)干涉圖中的解纏誤差并最大化的保留干涉圖的相位信息，目前國(guó)際上主要的方法主要有以下幾種：1)將解纏誤差和形變量及dem誤差參數(shù)同時(shí)解算，將含有解纏誤差的相干點(diǎn)作為粗差濾除。永久散射體技術(shù)中，選擇裸露巖石等長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持相干性的相干點(diǎn)，組成三角網(wǎng)，弧段間因距離較短，大氣誤差可忽略，相差值如果大于設(shè)定的閾值，則認(rèn)為含有解纏，并將含有解纏誤差的弧段作為粗差去除，同時(shí)解算弧段間的形變及dem誤差，通過(guò)網(wǎng)平差來(lái)最終獲取全局相干點(diǎn)的形變量和dem誤差，具體詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)^[4]。2)將干涉圖預(yù)處理，探測(cè)出解纏誤差，小基線技術(shù)中通過(guò)干涉圖閉合環(huán)中的粗差值探測(cè)解纏誤差，將閉合環(huán)殘差較大的像素在組成閉合環(huán)的三個(gè)干涉圖中掩模掉，詳細(xì)步驟在干涉圖^[5]。將解纏誤差和形變參數(shù)即dem誤差一起解算中，沒(méi)有考慮大氣誤差的影響，容易造成解纏誤差的不準(zhǔn)確判斷；僅用單個(gè)閉合環(huán)檢查干涉圖的預(yù)處理方法中，并不能確定誤差所在哪個(gè)干涉圖上，而且閉合環(huán)會(huì)有呈現(xiàn)有規(guī)律的軌道誤差，收部分低相干區(qū)域的影響，解纏誤差并不總是呈現(xiàn)明顯的塊狀分布，逐個(gè)手動(dòng)檢查來(lái)定位解纏誤差的位置和范圍并不現(xiàn)實(shí)。因此，上述方法無(wú)法有效確定干涉圖上的解纏誤差。

通過(guò)以上分析可總結(jié)，在預(yù)處理階段有效定位解纏誤差所在像素并最大化保留干涉圖的干凈的相位信息顯得尤為重要，現(xiàn)有的方法并不能滿足此要求。實(shí)際上，干涉圖中會(huì)同時(shí)存在形變量、軌道誤差、dem誤差、大氣噪聲、解纏誤差、隨機(jī)噪聲，如何有效的分離出解纏誤差并沒(méi)有得到有效的解決。

[1]massonnet,d.,etal.(1993)."thedisplacementfieldofthelandersearthquakemappedbyradarinterferometry."natureinternationalweeklyjournalofscience364(6433):138‐142.

[2]lu,z.,etal.(1997)."deformationofnewtridentvolcanomeasuredbyers‐1sarinterferometry,katmainationalpark,alaska."geophysicalresearchletters24(6):695‐698.

[3]massonnet,d.andk.l.feigl(1998)."radarinterferometryanditsapplicationtochangesintheearth'ssurface."reviewsofgeophysics36(4):441–500.

[4]ferretti,a.,etal.(2011)."anewalgorithmforprocessinginterferometricdata‐stacks:squeesar."ieeetransactionsongeoscienceandremotesensing49(9):3460‐3470.

[5]berardino,p.,etal.(2002)."anewalgorithmforsurfacedeformationmonitoringbasedonsmallbaselinedifferentialsarinterferograms."ieeetransactionsongeoscienceandremotesensing40(11):2375‐2383.

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于，克服出現(xiàn)有的insar解纏誤差的探測(cè)技術(shù)局限性，基于多個(gè)干涉對(duì)閉合環(huán)殘差的探測(cè)，提供一種不受其他誤差的影響，探測(cè)出insar干涉對(duì)中解纏誤差的方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種基于干涉圖閉合環(huán)的insar解纏誤差的探測(cè)方法，包括以下步驟：

步驟一，獲取研究區(qū)域的多景單視復(fù)數(shù)影像，進(jìn)行多視、濾波、干涉去平、去除地形相位、解纏操作，獲取解纏的insar差分干涉圖；

步驟二，選擇要探測(cè)解纏誤差的目標(biāo)干涉對(duì)，探測(cè)能與目標(biāo)干涉對(duì)組成閉合環(huán)的其他兩個(gè)干涉對(duì)，得到多組干涉圖閉合環(huán)，解算每組中三個(gè)干涉對(duì)的殘差；

步驟三，對(duì)每組干涉對(duì)閉合環(huán)殘差進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，并用最小二乘法求解多項(xiàng)式參數(shù)，分別求解閉合環(huán)殘差與多項(xiàng)式擬合結(jié)果的差值；

步驟四，取各組閉合差結(jié)果中絕對(duì)值小于0.5弧段的像素，其他像素掩模掉，將保留的各個(gè)差值干涉對(duì)取并集；

步驟五，將并集結(jié)果與目標(biāo)干涉對(duì)像素取交集，目標(biāo)干涉對(duì)掩模掉的像素便是解纏誤差存在的像素。

進(jìn)一步地，步驟二中，解算每組中三個(gè)干涉對(duì)的殘差的公式為：

上式中，為解算后得到的殘差，為目標(biāo)干涉對(duì)，為與目標(biāo)干涉對(duì)組成閉合環(huán)的其他兩個(gè)干涉對(duì)，a1，a2，…，ak為與干涉對(duì)組成閉合環(huán)的所有slc編號(hào)。

進(jìn)一步地，步驟三的具體過(guò)程包括：

檢查閉合環(huán)殘差結(jié)果，對(duì)其閉合環(huán)殘差通過(guò)多項(xiàng)式估計(jì)去除軌道誤差；如不含有軌道誤差，則令改正后的閉合環(huán)殘差

如果含有軌道誤差，則對(duì)進(jìn)行二項(xiàng)式擬合，采用的多項(xiàng)式為：

pi＝b0+b1x+b2y+b3xy

上式中，b0，b1，b2和b3為多項(xiàng)式的系數(shù)，x，y為多項(xiàng)式的參數(shù)；通過(guò)最小二乘法求解多項(xiàng)式的系數(shù)，并令改正后的閉合環(huán)殘差：

上式中，和為通過(guò)最小二乘法估計(jì)的多項(xiàng)式系數(shù)。

進(jìn)一步地，所述的步驟四的過(guò)程包括：

針對(duì)于步驟三得到的改正后的閉合環(huán)殘差如果說(shuō)明滿足條件的像素在干涉對(duì)中均不存在解纏誤差，僅含有隨機(jī)性誤差，則將不滿足要求的像素掩模掉；其中，ε為設(shè)定的閾值，ε≤0.5·2π；

將保留的各個(gè)差值干涉對(duì)取并集：

上式中，表示所有含有干涉對(duì)的閉合環(huán)并集，a1，a2，…，ak為與干涉對(duì)組成閉合環(huán)的所有slc編號(hào)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

本發(fā)明方法較現(xiàn)有方法相比，更容易實(shí)現(xiàn)，充分去除了inasr觀測(cè)量中的大氣誤差、殘余軌道誤差和形變信息，更有利于研究解纏誤差位置，有效的分離出解纏誤差，并避免對(duì)其他參數(shù)的求解帶來(lái)誤差傳播，適合用于有大量干涉對(duì)的情況，進(jìn)一步推動(dòng)了insar大地測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)程。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明方法的流程圖；

圖2為實(shí)施例中三個(gè)干涉對(duì)：20150413_20150718、20150413_20150730、20150718_20150730組成的閉合環(huán)及多項(xiàng)式擬合結(jié)果，其中：a為三個(gè)干涉對(duì)的原始閉合環(huán)殘差，b為a結(jié)果的直方圖統(tǒng)計(jì)圖，c為經(jīng)軌道改正后的結(jié)果，d為c結(jié)果的直方圖估計(jì)，e為估計(jì)的軌道誤差，f為設(shè)置閾值去除粗大殘差后的結(jié)果，單位為弧段/2pi；

圖3為改正前后的20150413_20150718干涉圖對(duì)比，其中a為未去除解纏誤差的差分干涉圖，b為經(jīng)處理后的干涉圖，c、d分別為a和b紅色框選的放大部分，單位為弧度。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的理論基礎(chǔ)闡述如下：

地球表面的各種地質(zhì)災(zāi)害均以地表形變的形式體現(xiàn)出來(lái)，而利用insar觀測(cè)技術(shù)探測(cè)地表形變時(shí)，解纏誤差是一項(xiàng)不可忽略的因素。

不存在解纏誤差的干涉對(duì)組合中，系列公式恒等：

為與干涉對(duì)組成閉合環(huán)的其他兩個(gè)干涉對(duì)，指在時(shí)間點(diǎn)i和時(shí)間點(diǎn)j獲取的slc交叉相乘形成的干涉對(duì)(相位)，即在時(shí)間點(diǎn)i和時(shí)間點(diǎn)j之間，測(cè)得衛(wèi)星與地面目標(biāo)距離的變化量；其貢獻(xiàn)量由以下各項(xiàng)構(gòu)成：

上式中，表示地表在視線方向形變量，視線方向?yàn)樾l(wèi)星和地面目標(biāo)連線的方向；表示因兩個(gè)slc入射角不完全重合，殘余的軌道誤差；表示用于地形改正的外部dem誤差；表示干涉圖上解纏誤差；表示干涉圖上的大氣誤差；表示時(shí)間失相干和傳感器熱噪聲的隨機(jī)誤差的綜合影響。

在干涉對(duì)組成閉合環(huán)殘差中：

上式中：

為閉合環(huán)殘差中的形變相位分量，

為大氣相位殘差，

為殘余軌道誤差，

為dem相位分量，

解纏誤差分量，

隨機(jī)噪聲，

干涉圖中的形變和大氣影響僅與獲取時(shí)間有關(guān)并與時(shí)間呈線性關(guān)系，閉合環(huán)殘差后恒等于零，殘差結(jié)果僅含有后四項(xiàng)：

上式中，與均表現(xiàn)出隨機(jī)性，呈趨勢(shì)面分布，在干涉圖閉合差表現(xiàn)為跳變，因?yàn)橥ㄟ^(guò)多項(xiàng)式擬合去除趨勢(shì)面則可得到所在區(qū)域：

為將去除軌道誤差的結(jié)果，n是隨機(jī)誤差，含有和

將含有軌道誤差的閉合環(huán)殘差通過(guò)多項(xiàng)式估計(jì)去除軌道誤差；采用的多項(xiàng)式pi＝b0+b1x+b2y+b3xy，通過(guò)最小二乘求解多項(xiàng)式系數(shù)，并改正閉合環(huán)殘差式中為最小二乘估計(jì)的多項(xiàng)式系數(shù)。

假設(shè)閉合環(huán)不存在解纏誤差的像素，在組成閉合環(huán)的三個(gè)中也不存在解纏誤差。

如果滿足條件的像素在干涉對(duì)中均不存在解纏誤差，僅含有隨機(jī)性誤差，將不滿足要求的像素掩模掉，ε為事先設(shè)定的閾值，一般取ε小于或者等于0.5·2。

但，存在解纏誤差的情況下，三個(gè)干涉圖的相位值全部被掩模掉，即，如果或某像素存在有解纏誤差，的會(huì)被掩模，造成有效信息丟失。

通過(guò)求解多個(gè)閉合環(huán)中，例如干涉圖組成的閉合環(huán)像素并不存在解纏誤差，則通過(guò)兩個(gè)干凈閉合環(huán)殘差的并集，的像素的相位又被包括進(jìn)來(lái)，不至于受其他兩個(gè)干涉對(duì)的影響太大。

對(duì)于干涉圖ij，如果有k個(gè)閉合環(huán)，則取閉合環(huán)之間的并集，保存的像素中均不含有解纏誤差。

上式中，為不含有解纏誤差的閉合環(huán)，即改正后的閉合環(huán)殘差；為原始的干涉圖；為以為模板，保留不含有解纏誤差的相位，含有誤差的相位已通過(guò)模板掩模掉。獲取的既去除了解纏誤差，又保留了有效消息。

本發(fā)明的具體步驟如下：

一種基于干涉圖閉合環(huán)的insar解纏誤差的探測(cè)方法，包括以下步驟：

步驟一，獲取研究區(qū)域的多景單視復(fù)數(shù)(slc)影像，進(jìn)行多視、濾波、干涉去平、去除地形相位、解纏操作，獲取解纏的insar差分干涉圖；

本方案中，研究數(shù)據(jù)獲取自歐空局網(wǎng)站，查詢研究區(qū)域?qū)?yīng)數(shù)據(jù)并下載單數(shù)復(fù)數(shù)影像，進(jìn)行方位向6距離向30的多視操作，減少斑點(diǎn)噪聲，然后進(jìn)行濾波、干涉去平處理，下載對(duì)應(yīng)區(qū)域的dem，并地理編碼到sar坐標(biāo)系下，減去高程相位，再利用最小費(fèi)用流方法解纏，獲取解纏后的差分干涉圖。上述步驟的原理是通過(guò)兩個(gè)單視復(fù)數(shù)相位交叉相乘，減去模擬的高程相位，獲取常規(guī)的差分干涉圖。

步驟二，選擇要探測(cè)解纏誤差的目標(biāo)干涉對(duì)，探測(cè)能與目標(biāo)干涉對(duì)組成閉合環(huán)的其他兩個(gè)干涉對(duì)，得到多組干涉圖閉合環(huán)，解算每組中三個(gè)干涉對(duì)的殘差；具體過(guò)程為：

選擇要檢驗(yàn)的差分干涉圖，并搜索與此干涉圖組成的閉合環(huán)的個(gè)數(shù)；

解算多個(gè)閉合環(huán)殘差，其公式表示為：

上式中，為解算后得到的殘差，為目標(biāo)干涉對(duì)，為與目標(biāo)干涉對(duì)組成閉合環(huán)的其他兩個(gè)干涉對(duì)，其中的閉合環(huán)，指三個(gè)干涉對(duì)構(gòu)成的相位殘差；a1，a2，…，ak為與干涉對(duì)組成閉合環(huán)的所有slc編號(hào)。

步驟三，對(duì)每組干涉對(duì)閉合環(huán)殘差進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，并用最小二乘法求解多項(xiàng)式參數(shù)，分別求解閉合環(huán)殘差與多項(xiàng)式擬合結(jié)果的差值；具體過(guò)程包括：

檢查閉合環(huán)殘差結(jié)果，對(duì)其閉合環(huán)殘差通過(guò)多項(xiàng)式估計(jì)去除軌道誤差；如不含有明顯的軌道誤差，則令改正后的閉合環(huán)殘差所述的軌道誤差，是指中如果含有趨勢(shì)項(xiàng)，即表明有明顯的軌道誤差。

如果含有軌道誤差，則對(duì)進(jìn)行二項(xiàng)式擬合，采用的多項(xiàng)式為：

pi＝b0+b1x+b2y+b3xy

上式中，b0，b1，b2和b3為多項(xiàng)式的系數(shù)，x，y為多項(xiàng)式的參數(shù)；通過(guò)最小二乘法求解多項(xiàng)式的系數(shù)，并令改正后的閉合環(huán)殘差：

上式中，和為通過(guò)最小二乘法估計(jì)的多項(xiàng)式系數(shù)。

檢查殘差值軌道誤差在干涉圖上表現(xiàn)為趨勢(shì)項(xiàng)，同樣，可傳遞到閉合環(huán)殘差，去除趨勢(shì)項(xiàng)后更好的探測(cè)解纏誤差。

步驟四，取各組閉合差結(jié)果中絕對(duì)值小于0.5弧段的像素，其他像素掩模掉，將保留的各個(gè)差值干涉對(duì)取并集；具體過(guò)程包括：

針對(duì)于步驟三得到的改正后的閉合環(huán)殘差如果說(shuō)明滿足條件的像素在干涉對(duì)中均不存在解纏誤差，僅含有隨機(jī)性誤差，則將不滿足要求的像素掩模掉；其中，ε為設(shè)定的閾值，ε≤0.5·2π；

將保留的各個(gè)差值干涉對(duì)取并集：

上式中，表示所有含有干涉對(duì)的閉合環(huán)并集，并且已經(jīng)將含有解纏誤差的像素掩模掉，僅含有熱噪聲失相關(guān)等隨機(jī)性誤差；a1，a2，…，ak為與干涉對(duì)組成閉合環(huán)的所有slc編號(hào)。不含有解纏誤差的干涉圖其閉合環(huán)殘差接近零值，如果某一閉合環(huán)殘差值較小，則組成閉合環(huán)殘差的三個(gè)干涉對(duì)均不含有解纏誤差。中所有像素不含解纏誤差。

步驟五，將并集結(jié)果與目標(biāo)干涉對(duì)像素取交集，目標(biāo)干涉對(duì)掩模掉的像素便是解纏誤差存在的像素，具體過(guò)程包括：

其中，表示時(shí)間點(diǎn)i和時(shí)間點(diǎn)j組成的干涉對(duì)，分別是含有解纏誤差和改正后的干涉對(duì)。通過(guò)多個(gè)含有干涉圖的閉合環(huán)，最大可能的探測(cè)每一個(gè)閉合環(huán)中干涉圖表現(xiàn)的非解纏誤差區(qū)域，取每個(gè)閉合環(huán)結(jié)果的并集，最大限度的保留相位的相位信息，更為真實(shí)的反映解纏誤差像素。

實(shí)施例：

步驟一，獲取研究區(qū)域的多景單視復(fù)數(shù)影像，進(jìn)行多視、濾波、干涉、去平、去除地形相位、解纏操作，獲取解纏的insar差分干涉圖；通過(guò)實(shí)測(cè)墨西哥城區(qū)的sentinel‐1a數(shù)據(jù)(歐空局獲取)，34景slc影像組成560個(gè)干涉圖?；趃amma平臺(tái)，干涉對(duì)距離上31和方位向6的多視處理獲得分辨率150x150的像素，經(jīng)自適應(yīng)濾波、由外部dem模擬地形相位、去除地形相位的貢獻(xiàn)量、最小費(fèi)用流解纏，獲得干涉對(duì)。

步驟二，選擇要探測(cè)解纏誤差的目標(biāo)干涉對(duì)，探測(cè)能與目標(biāo)干涉對(duì)組成閉合環(huán)的其他兩個(gè)干涉對(duì)，得到多組干涉圖閉合環(huán)，解算每組中三個(gè)干涉對(duì)的殘差；選擇20150413_20150718干涉對(duì)(表1所示)作為檢驗(yàn)的目標(biāo)干涉對(duì)，目標(biāo)干涉與其他干涉對(duì)組成閉合環(huán)的其他基線情況如表1所示，共組成31個(gè)閉合環(huán)。此處僅隨機(jī)選擇一個(gè)閉合環(huán)的結(jié)果呈現(xiàn)，在表1第5行加重字體：20150413_20150718、20150413_20150730、20150718_20150730三個(gè)干涉對(duì)。為了更方便的可視化解纏誤差，圖2將殘余的相位除以2π，不在以相位弧度為單位，閉合環(huán)原始結(jié)果如a所示，b中統(tǒng)計(jì)了閉合環(huán)結(jié)果的直方圖，從直方圖中可看到原始干涉圖中存在明顯的解纏誤差，及多項(xiàng)式擬合結(jié)果。從而由最小二乘模擬出多項(xiàng)式系數(shù)，如圖e所示，將原始閉合差結(jié)果中去除模擬的多項(xiàng)式結(jié)果如c所示，圖d為c結(jié)果的直方圖估計(jì)；去除一些粗大的殘差，結(jié)果如f所示。

表1.與20150413_20150718組成閉合環(huán)的情況

步驟三，對(duì)每組干涉對(duì)閉合環(huán)殘差進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，并用最小二乘法求解多項(xiàng)式參數(shù)，分別求解閉合環(huán)殘差與多項(xiàng)式擬合結(jié)果的差值；

步驟四，取各組閉合差結(jié)果中絕對(duì)值小于0.5弧段的像素，其他像素掩模掉，將保留的各個(gè)差值干涉對(duì)取并集；

步驟五，將并集結(jié)果與目標(biāo)干涉對(duì)像素取交集，目標(biāo)干涉對(duì)掩模掉的像素便是解纏誤差存在的像素。取另外31個(gè)閉合環(huán)非被解纏誤差污染像素的并集，再與所求干涉對(duì)解算交集，結(jié)果如圖3所示，對(duì)a和b可發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有很多的信息被掩模掉，干涉圖左部分因失相干較為嚴(yán)重，表現(xiàn)了較大誤差，但此部分不是我們的研究范圍。將試驗(yàn)區(qū)域重點(diǎn)方法對(duì)比圖c和d可發(fā)現(xiàn)，解纏誤差被掩模掉，并保留了不含解纏誤差的部分，通過(guò)對(duì)比探測(cè)出的解纏誤差的位置與相鄰像素的對(duì)比，基本上均存在2π的整數(shù)倍跳變，進(jìn)一步驗(yàn)證了此方法的正確性。